Ako zmerať rýchlosť zvuku
Zvuk je mechanické vlnenie, ktoré sa šíri v hmotnom prostredí. Typicky sa s ním stretávame ak nejaká udalosť uvoľní energiu, ktorá rozkmitá molekuly vzduchu. Ako rozpohybované molekuly vzduchu narážajú do seba, zvuková vlna sa šíri priestorom. Ak dorazí až k nám, rozvibruje ušný bubienok, čo potom vnímame ako zvuk. Ale tu vzniká otázka, akou rýchlosťou sa táto zvuková vlna pohybuje?
Podarilo sa mi natočiť demoláciu stožiara elektrického vedenia. Keďže miesto bolo značne vzdialené, zaujímalo ma, či sa prejaví efekt, kedy zvuk dorazí o niečo neskôr ako obraz. Analýzou videa je potom možné zmerať presné časové úseky.
Video si otvoríme v editore a posúvame sa po jednotlivých obrázkoch. Čiže vidíme ako sa stožiar postupne nakláňa a kedy sa dotkne zeme. Zároveň je pod videom znázornená aj zvuková stopa. V momente, keď k mikrofónu dorazí hlasný zvuk, na zvukovej stope sa to prejaví ako prudký nárast intenzity. Rýchlosť (pomalosť) svetla zanedbáme.
Video bolo natáčané rýchlosťou 29 obrázkov za sekundu. Časový úsek medzi dvoma obrázkami je 1/29 = 0,03846 sekundy. Časový úsek medzi tým, keď sa stožiar dotkol zeme a kedy dorazila zvuková vlna bol 0,7931 sekundy. Z mapy som zmeral vzdialenosť vzdušnou čiarou medzi pozorovateľom a stožiarom 296m. Rýchlosť zvuku nameraná týmto spôsobom by bola 296/0,7931 = 373 m/s.
Tabuľková hodnota pre rýchlosť zvuku pri izbovej teplote je 343 m/s. Ak by sme chceli získať presnejšie hodnoty, musela by byť vzdialenosť pozorovateľa väčšia a rýchlosť záznamu videa oveľa vyššia. K tomu by bolo vhodné tieto merania zopakovať a výsledky spriemerovať. Ale aj tak tento neplánovaný experiment dopadol vcelku uspokojivo.
Keď už som spomínal rýchlosť šírenia svetla, tak jeho tabuľková hodnota pre vákuum je 299792458 m/s, zaokrúhlene tristo miliónov metrov za sekundu. Pre predstavu, približne za jednu sekundu dorazí svetlo z povrchu Mesiaca na Povrch Zeme. V porovnaní z našim experimentom približne za jednu sekundu stihol prejsť zvuk len od stožiaru k pozorovateľovi.
Kedy sa prejaví efekt oneskorenia zvuku?
Ďalej vyvstáva otázka, kedy si človek všimne, že obraz a zvuk je posunutý. Respektíve, ako ďaleko musí byť objekt od pozorovateľa, aby sa tento efekt prejavil. Počítajme s rýchlosťou zvuku 340m/s. Ľudské zmysli vnímajú tento posun, ak je časový rozdiel približne 0,02 až 0,05 sekundy [Latency].
Počítajme s hornou hranicou, takže vzdialenosť objektu od pozorovateľa by mala byť 0,05 x 340 = 17m. Pri objektoch vzdialený desiatky až stovky metrov bude časové oneskorenie už značne veľké. Takže všetky tie výbuchy planét vo vesmírnych filmoch by mali byť bez zvuku, pretože zvuk sa vo vákuu nešíri. Alebo ak by teoreticky vznikla tlaková vlna, tak by mala doraziť s časovým oneskorením niekoľkých sekúnd. Jediný film, kde som to videl je Vesmírna odysea (1968).
Ako vypočítať vzdialenosť búrky?
Počas búrky nastáva tiež efekt oneskorenia zvuku. Najprv zazrieme blesk ako jasné svetlo a po uplynutí určitého času počujeme aj hrom. To, že vzdialenosť búrky sa dá odhadnúť podľa tohto oneskorenia počul snáď už každý, ale málo kto vie, ako to presne spočítať. Vezmime rýchlosť zvuku zaokrúhlenú na 333 m/s, čo je v prepočte 0,333 km/s. Teda za každé 3 sekundy je od nás búrka vzdialená o 1 kilometer. Napríklad ak je rozdiel medzi bleskom a hromom 6 sekúnd, tak je búrka vzdialená 2km.